Možno ste to videli v kuchynskom riade alebo starom vodovodnom potrubí: tvrdá voda bohatá na minerály po čase zanechá šupinaté usadeniny. Vyskytuje sa nielen v potrubiach a kuchynskom náčiní v domácnostiach, ale aj v potrubiach a ventiloch, ktoré prepravujú ropu a zemný plyn, a potrubiach, ktoré prepravujú chladiacu vodu v elektrárňach. Je dobre známe, že vodný kameň môže spôsobiť neefektívnosť, prestoje a problémy s údržbou. V ropnom a plynárenskom priemysle vedie vodný kameň niekedy k úplnému uzavretiu prevádzkových vrtov, aspoň dočasne. Preto vyriešenie tohto problému môže priniesť obrovské odmeny. Teraz tím výskumníkov z MIT prišiel s potenciálnym riešením tohto obrovského, no málo známeho problému. Zistili, že nová povrchová úprava – vrátane nanotextúrovania povrchu a následného nanesenia mazacej tekutiny – môže znížiť rýchlosť tvorby vodného kameňa najmenej desaťkrát. Tento týždeň boli výsledky výskumu zverejnené v časopise Journal of Advanced Materials Interface. Príspevok napísali postgraduálny študent Srinivas Subramanyam, postdoktorandka Gisele Azimi a Kripa Varanasi, docent pre námorné využitie na Katedre strojárstva na MIT. "Môžete vidieť [mierku] takmer kdekoľvek," povedal Varanasi. V domácnostiach sú tieto usadeniny väčšinou nepríjemné, ale v priemysle môžu viesť k „zníženiu produktivity a spôsob ich odstraňovania môže byť škodlivý pre životné prostredie“, pričom zvyčajne zahŕňa použitie agresívnych chemikálií. V elektrárňach a odsoľovacích zariadeniach môže vodný kameň spôsobiť značné straty účinnosti, pretože pôsobí ako tepelná bariéra a ovplyvňuje chladenie alebo kondenzáciu vo výmenníku tepla. Problém nastáva, pretože voda zvyčajne obsahuje veľa rozpustených solí a minerálov. Schopnosť vody rozpúšťať tieto látky závisí od rozpustnosti, takže ak sa voda ochladí alebo sa odparí, roztok sa môže presýtiť: obsahuje viac rozpustených látok, než dokáže poňať, takže niektoré látky sa začnú zrážať. Keď sa teplý a vlhký vzduch pri stretnutí s chladnejším povrchom náhle ochladí, spôsobí zahmlievanie studeného skla, čo je rovnaký princíp. Vo väčšine prípadov inžinieri riešia tento problém prehnaným dizajnom systému, Varanasi povedal: Použite oveľa väčšie potrubie, ako je potrebné, napríklad sa očakáva, že znečistenie spôsobí čiastočné zablokovanie alebo väčšiu plochu, v tomto prípade výmenník tepla. pod. Subramanyam poukazuje na to, že tento problém nie je nový: „Staroveké kuchynské náčinie má tento druh akumulácie,“ povedal. "Zatiaľ nemáme dobré riešenie." Hoci to ešte nebolo preukázané v priemyselnom meradle, nová metóda vyvinutá tímom MIT môže mať významný vplyv na rýchlosť tvorby vodného kameňa a v mnohých prípadoch mu môže úplne zabrániť. Ich metóda znie jednoducho: efektívne nanotextúrovanie povrchu a vyplnenie výslednej textúry lubrikantom. Textúra závisí hlavne od veľkosti vytvorených hrbolčekov a drážok; zdá sa, že na presnom tvare nezáleží. Preto je možné na vytvorenie tejto textúry použiť rôzne techniky – vrátane nanášania textúrovaného povlaku na povrch alebo chemického leptania na miesto. Výskumníci tiež opísali proces výberu vhodného maziva, ktoré nielen zvyšuje energetickú bariéru tvorenú vodným kameňom, ale rozširuje sa aj na textúrované pevné látky, čím je povrch „hladký“ a znižuje nukleáciu, ktorú možno použiť na tvorbu vodného kameňa. stránky. Predchádzajúce pokusy zabrániť alebo znížiť tvorbu vodného kameňa zvyčajne zahŕňajú pridanie povlaku (ako je teflón) na povrch, aby sa zabránilo naviazaniu minerálov na povrch. Varanasi vysvetlil, že problémom tejto metódy je, že tieto povlaky sa opotrebúvajú, rovnako ako povlaky na nepriľnavých panviciach sa používaním často zhoršujú. Povedal, že aj keď je v povlaku malý otvor, poskytuje miesto, kde sa môže začať vytvárať vodný kameň. Pomocou novej metódy, keď sa na povrchu vytvorí nanotextúra, na povrch sa nanesie olej alebo iná mazacia kvapalina. Varanasi povedal, že drobné drážky v nanoúrovni zachytávajú túto kvapalinu a držia ju pevne na mieste prostredníctvom kapilárneho pôsobenia. Na rozdiel od pevných antiadhéznych náterov môže tekutina vytiecť, aby vyplnila prípadné medzery, rozotrela sa po štruktúre povrchu a ak sa časť zmyje, môže sa priebežne dopĺňať. "Aj keď dôjde k mechanickému poškodeniu, mazivo sa môže vrátiť na tento povrch," povedal Subramanyam. "Dokáže si udržať hladkosť po dlhú dobu." Pretože táto mazacia vrstva je veľmi tenká – hrubá len niekoľko stoviek nanometrov – vyžaduje len malé množstvo maziva na ochranu povrchu po celé desaťročia. Varanasi povedal, že nádrž zabudovaná v časti potrubia môže poskytovať mazanie počas celej životnosti zariadenia. V prípade ropovodov „mazivo už existuje“, ropa zachytená textúrou povrchu môže povrch potrubia chrániť. Jurgen Rühe, vedúci Laboratória chémie a fyziky rozhraní na Univerzite vo Freiburgu, nebol do štúdie zapojený a povedal, že predstavuje „veľmi dôležité objavy a dôležité vedecké pokroky“. Metódu tímu na zníženie tvorby vodného kameňa nazval „novou a kreatívnou“ a povedal, že „môže mať potenciálny vplyv na všetky oblasti, kde sa ohrieva voda a kde sa vytvára para.“ Vedci uviedli, že po ďalšom laboratórnom testovaní na určenie toho najlepšieho pre konkrétnu aplikáciu Po použití lubrikantov a metód textúrovania môže byť systém pripravený na komerčné použitie už za tri roky. Túto prácu podporila energetická iniciatíva MIT.
Čas odoslania: 08. december 2021
